數字隔離技術(shù)在邊緣端建立智能時(shí)代的物理安全屏障

“糟糕，有一種觸電的感覺(jué)！”

生活中，人們常常將一見(jiàn)鐘情的心動(dòng)戲稱(chēng)為“觸電”。然而，現實(shí)社會(huì )中除了北方冬天常遇到的靜電電擊外，大概真正有過(guò)觸電的意外體驗的人應該是極少的，而且那感覺(jué)絕不會(huì )“美妙”。慶幸的是，在各種強制的電子產(chǎn)品安全設計規范要求下，生活中大眾已經(jīng)很難聽(tīng)到有觸電的事件發(fā)生。事實(shí)上，這背后得益于嚴格的電子產(chǎn)品安全設計規范要求，特別是近年來(lái)像高壓電池支撐的新能源汽車(chē)，無(wú)處不在的充電設施，機器人充斥的工業(yè)環(huán)境，以及對生命安全保護要求很高的醫療設備，基于隔離技術(shù)下的安全防護要求越來(lái)越高。

另一方面，隨著(zhù)數據隱私、響應時(shí)延、功耗、成本等原因，邊緣計算設備應用越來(lái)越多。邊緣感知、邊緣執行和邊緣處理之間需要有各種各樣的通信，對保護系統和人身安全的隔離需求也隨之增加。高速數據通信支撐下的智能邊緣設備基于良好隔離技術(shù)的安全防護之外，數據可靠性也為一種隔離設計的另外一個(gè)“剛需”。而智能邊緣端設備的隔離保護設計，也是全球磁隔離技術(shù)的發(fā)明者、高性能半導體技術(shù)提供商ADI聚焦的重點(diǎn)領(lǐng)域，在其激活邊緣智能的愿景下，數字隔離技術(shù)也成為了ADI賦能邊緣智能的重要底座。

ADI數字隔離技術(shù)為各種智能邊緣應用帶來(lái)值得信賴(lài)的安全保護

始于安全“剛需”不止于安全，解讀邊緣智能設備隔離需求的幾個(gè)維度

據 Fortune Business Insights預測，邊緣智能市場(chǎng)預計將從2022年的156億美元，增長(cháng)到2029年的1074.7億美元，復合年增長(cháng)率高達31.7%。以工業(yè)制造業(yè)為例，工業(yè)現代化正逐步向智能制造加速轉變，并引發(fā)機器人為代表的邊緣智能設備的普及。在現代化的工廠(chǎng)制造環(huán)境中，很少的操作人員與各種智能機器人密切協(xié)作的場(chǎng)景已經(jīng)成為常態(tài)，與這些依賴(lài)帶高壓電工作的“伙伴”一起“親密”接觸，避免電擊危害的安全設計尤為重要，隔離是這些設備技術(shù)方案中不可忽略的設計要素。

數字隔離技術(shù)在高壓與人員、資產(chǎn)和數字之間形成安全邊界，并保護數據免受破壞性的電磁干擾影響。

另一方面，邊緣智能的發(fā)展也促成了健康醫療設備的快速普及。阿里健康研究院、天貓健康發(fā)布的《診療家庭化消費趨勢洞察》數據顯示，有三分之二的健康電商用戶(hù)購買(mǎi)過(guò)家用醫療器械。那些使用市電、與人類(lèi)緊密接觸的家用醫療電子設備，安全是重中之重，高壓市電與用戶(hù)接觸面之間的絕對安全隔離是產(chǎn)品認證的強制要求之一。而更廣泛的其他許多領(lǐng)域中，無(wú)論是新能源汽車(chē)、高壓充電樁、儲能抑或傳統家用電器，強電隔離安全防護都是各種行業(yè)產(chǎn)品認證規范的必須要求，包括TUV、3C、CE、UL等等。

作為保護智能邊緣的必要技術(shù)之一，ADI iCoupler數字隔離產(chǎn)品系列已通過(guò)各種監管機構檢測和認證，包括UL、CSA、VDE、TüV、CQC、ATEX和IECEx等。

當前電子產(chǎn)品的生命安全保障已經(jīng)不僅局限于免除電擊導致的事故，還需要兼顧更多層面的安全，例如電磁輻射。事實(shí)上，電磁輻射不僅對人身健康造成潛在損害，還可能導致更多其他的問(wèn)題。例如，對于邊緣智能設備采用必要的隔離措施并不局限于對用戶(hù)的安全防護，還有對智能設備可靠性的關(guān)鍵保障，需要完全滿(mǎn)足各種電磁兼容（EMC）標準。由于邊緣節點(diǎn)通常發(fā)揮檢測、測量、解讀和連接數據的作用，電磁輻射可能對數據的準確、產(chǎn)品可靠性產(chǎn)生重要影響。

ADI iCoupler系列器件EMC /可靠性性能圖示。

邊緣智能的快速增長(cháng)，也帶動(dòng)信號和數據的傳輸在越來(lái)越多的系統中發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些終端設備不僅需要穩定的基礎設施，還需要安全、快速、高精度、無(wú)干擾、高帶寬的傳輸路徑。傳輸路徑可能需要承受極端惡劣的環(huán)境條件，為高速鏈路接口添加隔離可以改善在這些惡劣環(huán)境下工作的性能，但這一直以來(lái)都不是一項簡(jiǎn)單的工作。數據速率高于250 Mbps 時(shí)，就已超過(guò)光耦合器在內的大部分隔離器的帶寬范圍，迫使系統設計人員采用更為復雜的技術(shù)。

ADI iCoupler技術(shù)支持最高2.5Gbps的串行數據和協(xié)議隔離

此外，邊緣智能設備應用領(lǐng)域很多對成本、尺寸和功耗等規格敏感，這些不得已的性能權衡折中通常不免令人遺憾。多年來(lái)，設計工程師使用光耦合器或電容隔離器，勉強應對這些缺點(diǎn)。在大量的關(guān)鍵型邊緣智能應用中，任何對安全性、可靠性、準確性的折衷都是不可以接受的，ADI數字隔離器iCoupler的獨特性能優(yōu)勢可以避免這些不利的性能折衷，利用數字隔離器實(shí)現尺寸更小、能效更高，以及更具性?xún)r(jià)比的設計。

從三大關(guān)鍵應用領(lǐng)域解讀邊緣智能趨勢下的隔離新需求

人身安全永遠是任何系統可靠性設計的第一要求，而那些任務(wù)關(guān)鍵型系統還對可靠性也有高要求。例如工廠(chǎng)停機監控系統，要求質(zhì)量數據測量具有魯棒的完整性，代價(jià)巨大的數據錯誤最終會(huì )導致計劃外的維護，大大降低效率，甚至不得不禁用整個(gè)系統。智能始于邊緣節點(diǎn)，而此處也適用那句老話(huà)：如果輸入的是垃圾，那么輸出的也一定是垃圾。隔離器主要作用除了安全，隔離噪聲以確保數據傳輸準確也是關(guān)鍵需求之一。

攝像機機器視覺(jué)和機器人涉及到以太網(wǎng)、USB或Camera Link接口

邊緣智能在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應用到各種機器人設備中，其中基于機器視覺(jué)的引導機器人就在高價(jià)值制造環(huán)境中提供更高的靈活性和更高的生產(chǎn)可靠性上具有重要作用。有了機器視覺(jué)，機器人可以執行更加智能的任務(wù)。有多種方式可以實(shí)現機器視覺(jué)攝像機接口，包括USB 2.0、USB 3.0、Camera Link，或千兆以太網(wǎng)。除了工業(yè)以太網(wǎng)，包括工業(yè)控制器普遍采用的USB端口，普遍需要采用措施以提高EMC，例如LVDS物理層通過(guò)電磁隔離來(lái)改善EMC。此外，在這些智能設備上，人機接口(HMI)常用于通過(guò)人類(lèi)可讀視覺(jué)表示方式顯示來(lái)自可編程邏輯控制器的數據，也需要采用集成增強隔離可保護操作人員免除電氣危險。

帶儲能系統的典型太陽(yáng)能系統框圖

太陽(yáng)能系統中會(huì )大量使用到隔離器，如果打開(kāi)典型的太陽(yáng)能系統的逆變器控制器外殼，可以在多處發(fā)現數字隔離產(chǎn)品的身影，其中包括柵極驅動(dòng)信號的隔離，以及電壓控制環(huán)路中數字反饋的隔離等。此外，各種監控、監測以及通信功能的應用，正在將太陽(yáng)能和儲能系統變成某種意義上的智能邊緣終端。由于太陽(yáng)能逆變器中功率密度的不斷增加以及對儲能平衡的需求，這一代太陽(yáng)能發(fā)電要求對太陽(yáng)能系統的所有元件進(jìn)行大量監控。對于儲能等太陽(yáng)能應用，通信至關(guān)重要，因為它要將太陽(yáng)能裝置中的發(fā)電和消耗活動(dòng)報告給用戶(hù),以實(shí)施多種系統策略，例如賬單管理、光伏自用、減少需量電費和備用電源。對于這些太陽(yáng)能光伏應用，RS-485或CAN通信接口通常在充斥電噪聲的環(huán)境中通過(guò)長(cháng)電纜運行。增加iCoupler隔離可以進(jìn)一步提升抗擾度，增強的EMC魯棒性可縮短接口電路的設計和測試時(shí)間，從而加快太陽(yáng)能光伏網(wǎng)絡(luò )的上市時(shí)間。

在醫療設備中隔離具有廣泛的應用

邊緣智能在醫療設備中的擴展使用，讓更多的醫療設備走出醫院進(jìn)入普通百姓家，而安全始終是這類(lèi)家用醫療設備的基本設計出發(fā)點(diǎn)。例如對于ECG設備就是如此，設計師必須嚴防來(lái)自交流電源的電涌或過(guò)壓，以及經(jīng)過(guò)ECG電極的任何可能超過(guò)10μA rms推薦限值的電流路徑影響到病人或操作人。此外，在ECG子系統本身或其他與病人或操作人員相連的醫療設備發(fā)生故障時(shí)，可能出現危險電壓或電流，ECG設計的必要條件就是確保病人和操作人員安全不會(huì )受此類(lèi)電壓或電流傷害?；贏(yíng)DI iCouper數字隔離器使開(kāi)發(fā)可靠、緊湊且易于設計的患者監測設備成為可能，通過(guò)使用集成了iCoupler的USB隔離器可以增強心電圖設備的USB連接性。ADI iCoupler在包括超聲和內窺鏡系統在內的醫療成像應用中結合了患者安全性和視頻準確性。而iCoupler 固有的高速隔離功能（千兆隔離）簡(jiǎn)化了超高分辨率嵌入式安全醫療成像系統的構建（這些系統現在必須越來(lái)越多地支持最新的>4K顯示器，這有助于更快做出診斷并提高診斷準確性）。

性能三連升再增新技能，論隔離“優(yōu)等生”的二十年自我修煉

隔離技術(shù)不可或缺的重要性吸引了全球很多半導體公司加大投資研發(fā)，當前的路線(xiàn)幾乎集中在傳統的光耦以及電容式隔離和電磁隔離三個(gè)大類(lèi)。無(wú)論是速度、功耗，還是集成度，后兩種已經(jīng)顯著(zhù)勝出了傳統光耦隔離，而且光耦性能隨著(zhù)時(shí)間而下降的缺點(diǎn)“深入人心”，磁隔離技術(shù)在耐壓、抗浪涌以及共模瞬變抗擾度(CMTI)方面，又比電容隔離更勝一籌。隨著(zhù)汽車(chē)、醫療、工業(yè)自動(dòng)化等行業(yè)與邊緣計算的融合，對可靠性和安全性的要求不斷提高，基于磁隔離的技術(shù)獲得越來(lái)越多的應用青睞，ADI iCoupler推出20多年以來(lái)已經(jīng)獲得超過(guò)50億通道的應用。

持續的創(chuàng )新使ADI保持為數字隔離器技術(shù)的領(lǐng)先者，ADI iCoupler獲得50億通道應用。

迄今ADI iCoupler技術(shù)已經(jīng)實(shí)現三代產(chǎn)品迭代，數字隔離技術(shù)的產(chǎn)品功能與性能也不斷升級：從單通道到多通道數據隔離器到集成信號/數據和電源隔離、ADC等，從支持千兆數據隔離到支持2.5Gbps甚至更高的數據速度，功能與性能都在持續不斷的提升。這背后有例如第二代iCoupler技術(shù)采用OOK技術(shù)替代脈沖編解碼從而實(shí)現低傳播延遲，高可靠性以及高速率等優(yōu)勢，第三代磁隔離的傳輸速率進(jìn)一步提高，而與轉換器、放大器、電源等產(chǎn)品集成實(shí)現了更緊湊的方案，這些都為需要小尺寸高集成度、更高傳輸速率的邊緣智能應用提供了重要的技術(shù)支撐。

豐富的技術(shù)與產(chǎn)品組合提供滿(mǎn)足更多細分市場(chǎng)需求的隔離解決方案。

值得一提的是，對領(lǐng)先半導體企業(yè)美信的成功并購使得ADI可以進(jìn)一步提供更豐富的產(chǎn)品組合，iCoupler數字隔離安全可靠性更高，電容隔離技術(shù)可以滿(mǎn)足高達10Mbps速率下的超低功耗特性，以及滿(mǎn)足對時(shí)鐘抖動(dòng)更高的要求。而整合后的隔離技術(shù)研發(fā)團隊正在實(shí)現1+1>2的協(xié)同效應，在最新推出的數字隔離器MAX2242x/MAX2282x / MAX2244x系列中，已經(jīng)實(shí)現了兼顧可靠穩定性下業(yè)界領(lǐng)先的高速微功耗隔離解決方案，與ADI上一代產(chǎn)品 ADuM144x/ADuM124x相比實(shí)現了全面的性能升級迭代。

ADI最新數字隔離器將微功耗/超低功耗隔離器的本質(zhì)安全擴展到10Mbps。

ADI的iCoupler數字隔離技術(shù)誕生于世紀初期，iCoupler一路跟隨應用創(chuàng )新而不斷升級迭代，而今的邊緣智能設備比以往任何時(shí)候都更需要更高級別的安全性和數據完整性，高性能和敏感型電子系統也越來(lái)越多，每次設計時(shí)都必須考慮數字隔離的應用，未來(lái)隔離依然會(huì )朝向更高耐壓、更快傳輸速度以及更高集成度發(fā)展。ADI繼續將iCoupler 技術(shù)嵌入高度集成的解決方案中，這些解決方案可組合并簡(jiǎn)化高度復雜的邊緣智能應用的信號鏈。